[논문]전기적 신호와 열적특성 분석에 의한 접촉불량 예측

이흥수; 김두현; 김성철; 김윤복

doi:10.14346/jkosos.2012.27.3.036

문제 정의

따라서 본 연구에서는 2009~2011년 3년 간 실제 접촉불량이 원인으로 작용하여 발생한 화재현장 조사 데이터를 바탕으로 기존의 접촉불량과 관련된 화재사례들을 분석하고 대표적인 유형을 재현하고자 하였다. 대표유 형으로서 단자 접속부에서 발생하는 접촉불량을 유도하였으며, 이러한 상황에서 진동 등 외부 요인이 변수로 주어졌을 경우 정상적인 상황과 비교되는 특이사항을 도출하고자 하였다.
따라서 본 논문에서는 단자 접속부에서 접촉불량이 발생하였을 때의 전류, 누설전류 및 열적 신호 특성을 분석하여 실제 접촉불량 발생 시의 세 가지 신호에 대한 활용 가능성을 제시하고자 하였으며, 접촉 불량 시 나타나는 전기적 신호와 열적특성 분석을 통 해 접촉불량 감지장치 개발 등에 기여하고자 하였다.
이와 관련하여 많은 연구^2-7)가 선행되었으나 접촉불량 화재는 지속적으로 발생하고 있다. 따라서 본 연구에서는 2009~2011년 3년 간 실제 접촉불량이 원인으로 작용하여 발생한 화재현장 조사 데이터를 바탕으로 기존의 접촉불량과 관련된 화재사례들을 분석하고 대표적인 유형을 재현하고자 하였다. 대표유 형으로서 단자 접속부에서 발생하는 접촉불량을 유도하였으며, 이러한 상황에서 진동 등 외부 요인이 변수로 주어졌을 경우 정상적인 상황과 비교되는 특이사항을 도출하고자 하였다.
본 논문은 단자대 접속부에서 접촉불량이 발생하는 경우 그에 따른 이상신호를 검출하고 열적특성에 관해 연구하고자 하였다. 실험을 통하여 전류, 누설전류 파형의 변화에 대한 이상신호를 검출하였으며, RMS값의 변화도 확인하였다.

가설 설정

차단기 등 접속부의 접촉불량으로 인한 이상 발열에 기인한 온도상승 단계에서 발생하는 전류와 누설전류 파형 및 실효(RMS ; Root Mean Square) 값을 측정하여 정상신호와 구별되는 이상신호를 발견하기 위한 실험이며, 대기온도는 25°C인 상태에서 실험을 실시하였다. 먼저 접속부 접속점의 조임상태가 정상인 상태와 조이지 않은 상태(0 N․ m)를 가정하여 정상인 상태는 인력에 의해 접속부의 나사를 최대로 조였다. 비정상인 상태는 토크게이지를 이용하여 아크 및 스파크가 반복적으로 발생할 수 있도록 접속부의 체결압력을 0 N․m로 설정하였다.

제안 방법

단자 접속부에서 발생하는 접촉불량의 전조를 파악하기 위하여 비틀림 접속부의 경우와 동일한 방법으로 3가지 전류값을 입력하며, 진동과 무진동의 상황조건을 만들어 0 Nㆍm의 토크압력을 가한 단자에서 발생하는 접촉불량 이상신호를 도출하였다.
단자 접속부의 접촉불량을 유도하기 위하여 사용된 장치들로 토크드라이버(20DPSK, KANON, Japan)를 사용하여 0 N․m의 토크값으로 접속부를 체결하고 아크가 발생할 수 있도록 하였고, 진동을 발생시키기 위해서 단상 진동모터(0.1 kW, H사, Korea)를 사용하였다. 진동모터의 정격전압은 220 V이고, 진동수는 3,600 vpm이다.
먼저 접속부 접속점의 조임상태가 정상인 상태와 조이지 않은 상태(0 N․ m)를 가정하여 정상인 상태는 인력에 의해 접속부의 나사를 최대로 조였다. 비정상인 상태는 토크게이지를 이용하여 아크 및 스파크가 반복적으로 발생할 수 있도록 접속부의 체결압력을 0 N․m로 설정하였다. 각각의 정상과 비정상 조임상태에 대하여 진동이 있는 경우와 없는 경우로 실험 상황을 설정하였으며, 진동이 없는 경우를 순수 접촉불량이라 정의하였고, 각각의 설정된 상황에 대하여 전류값 4.
실험데이터의 신뢰도를 높이기 위하여 각각의 실험에 대하여 동일한 조건과 방법으로 실험을 5회 반복하였다. 실험에 사용된 배선용차단기, 누전차단기 및 단자대는 일반주택이나 영세사업장에서 현재 가장 많이 사용되고 있는 제품을 사용하여 접촉불량 상태를 유도하였으며, 접속점의 열적변화를 1분 간격으로 적외선 열화상카메라로 측정하여 그 값을 기록하였다. 접속부의 조임이 정상인 상태와 비정상인 상태(0 N․m)에 대하여 전류별, 시간에 따른 전류파형의 변화와 RMS값으로 측정할 수 있는 이상신호를 열화온도와 함께 검출하여 접촉불량 데이터를 추출하였다.
본 논문은 단자대 접속부에서 접촉불량이 발생하는 경우 그에 따른 이상신호를 검출하고 열적특성에 관해 연구하고자 하였다. 실험을 통하여 전류, 누설전류 파형의 변화에 대한 이상신호를 검출하였으며, RMS값의 변화도 확인하였다. 이상신호로 검출이 어려운 부분을 보완하기 위하여 접촉불량 시 나타나는 온도변화를 측정하였다.
실험을 통하여 전류, 누설전류 파형의 변화에 대한 이상신호를 검출하였으며, RMS값의 변화도 확인하였다. 이상신호로 검출이 어려운 부분을 보완하기 위하여 접촉불량 시 나타나는 온도변화를 측정하였다. 본 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
진동모터의 정격전압은 220 V이고, 진동수는 3,600 vpm이다. 전류의 변화를 주기 위해서 3 kW 히터부하(ATZL 3015, DBK, Germany)를 사용하여 실험에 필요한 부하전류 4.5 A, 9.0 A, 13.5 A를 유도하였으며, 이때 접속점에서 발생한 온도측정은 적외선 열화상 진단 장비(Ti25, Fluke, USA)를 사용하여 이상 온도상승을 측정 하였다. 적외선 열화상 진단장비의 온도 측정범위는 -20~350°C이며, 검출 가능한 최소온도는 0.
실험에 사용된 배선용차단기, 누전차단기 및 단자대는 일반주택이나 영세사업장에서 현재 가장 많이 사용되고 있는 제품을 사용하여 접촉불량 상태를 유도하였으며, 접속점의 열적변화를 1분 간격으로 적외선 열화상카메라로 측정하여 그 값을 기록하였다. 접속부의 조임이 정상인 상태와 비정상인 상태(0 N․m)에 대하여 전류별, 시간에 따른 전류파형의 변화와 RMS값으로 측정할 수 있는 이상신호를 열화온도와 함께 검출하여 접촉불량 데이터를 추출하였다.
차단기 등 접속부의 접촉불량으로 인한 이상 발열에 기인한 온도상승 단계에서 발생하는 전류와 누설전류 파형 및 실효(RMS ; Root Mean Square) 값을 측정하여 정상신호와 구별되는 이상신호를 발견하기 위한 실험이며, 대기온도는 25°C인 상태에서 실험을 실시하였다.

대상 데이터

5 kA 차단기를 사용하였다. 단자대는 중소기업인 D사의 정격전류 30 A를 사용하였다. Fig.
또한 측정 각도는 23° (H) × 17° (V)이고 초점거리는 15 cm~∞ 이다. 분석장치로는 전류측정 장치인 전류 프로브(AC Current Probe, Tectronix, USA)와 이상펄스를 측정하기 위해 클램프메타(Clamp on leak hitester, HIOKI, Japan)를 이용하였다. 연결 배선은 비닐전선(EVF, 2.
0 mm × 2C)을 사용하였다. 실험에 사용된 차단기는 누전 차단기로서(KS C 4613, L사, Korea) 정격전압 220 V, 정격전류 30 A, 정격감도전류 30 mA, 동작시간 0.03초, 정격차단용량 1.5 kA 차단기를 사용하였으며, 배선용차단기(KS C 8321, L사, Korea)는 정격전압 220 V, 정격전류 30 A, 정격차단용량 1.5 kA 차단기를 사용하였다. 단자대는 중소기업인 D사의 정격전류 30 A를 사용하였다.
연결 배선은 비닐전선(EVF, 2.0 mm × 2C)을 사용하였다.

성능/효과

1. 접촉불량 부분에서 스파크가 발생하는 경우에는 전류 및 누설전류 파형변화 등 이상 신호가 검출되었으며, 이를 토대로 스파크를 동반하는 접촉불량은 사전 신호검출이 가능하다.
2. 4.5 A의 전류를 입력한 경우를 제외하고 실험 조건에 따라 접촉불량이 발생하였을 때 RMS값이 저하되는 것이 확인되었다. 하지만 실제현장의 상황과 같이 다수의 부하가 접속된 회로나 저전류가 흐르는 회로에서 RMS값을 통해 접촉불량의 판단기준을 마련하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다.
3. 진동의 유무에 따라 약 3~5분까지는 시간에 비례하여 온도가 일정하게 상승하였으며, 약 3~5분 이후에는 포화상태가 되어 서서히 온도가 증가하는 패턴을 보였다. 진동의 발생 등 환경인자에 의해 접속강도가 저하된 부분에서 스파크가 발생하는 경우에는 ZCT로 측정 가능한 이상신호 검출을 통해 전조의 파악이 가능하다.
Fig. 6의 b)를 보면 진동으로 인하여 접속부에서 스파크가 발생하는 시점에는 전류파형이 일시적으로 변하지 않는 것을 확인할 수 있으며, 이 부분에서 ZCT를 이용하여 이상펄스가 검출되는 것을 확인할 수 있다. 이상 펄스는 스파크가 발생하는 시점에서 일시적으로 그 값이 mA단위로 발생하는 것이 측정되었다.
이상 펄스는 스파크가 발생하는 시점에서 일시적으로 그 값이 mA단위로 발생하는 것이 측정되었다. c)와 d)의 RMS값의 파형도 접촉 불량 부분에 대해 반복적으로 심하게 변하는 것을 확인할 수 있으며, 접촉불량 부분에서의 RMS값은 정상 접속 상태보다 약 250 mA 낮다는 것을 알 수 있다. 포화온도 측정치에서는 최대 110.
먼저 입력된 전류값과 상황조건에 대하여 진동의 유무에 따라 전기적인 신호데이터의 차이가 나타남을 확인할 수 있었다. 진동이 발생되지 않은 상태에서는 전류파형의 변화와 ZCT로 측정 가능한 이상펄스는 어디에서도 검출되지 않았으나, 진동이 발생된 경우에는 수행된 모든 실험에서 전류파형과 ZCT로 전기적인 이상펄스가 검출되었다.
5 A 정도의 경우에는 난방기기로써 히터 및 온풍기 등이 있다. 실험데이터의 신뢰도를 높이기 위하여 각각의 실험에 대하여 동일한 조건과 방법으로 실험을 5회 반복하였다. 실험에 사용된 배선용차단기, 누전차단기 및 단자대는 일반주택이나 영세사업장에서 현재 가장 많이 사용되고 있는 제품을 사용하여 접촉불량 상태를 유도하였으며, 접속점의 열적변화를 1분 간격으로 적외선 열화상카메라로 측정하여 그 값을 기록하였다.
0 Nㆍm의 토크압력을 가한 경우의 RMS값이 정상적인 토크압력을 가한 접속의 경우보다 상대적으로 저하되는 것을 확인할 수 있었으나 실험상황 및 조건에 따라 오차가 컸으며, 그 값의 차이가 너무 작은 경우도 존재하여 이 부분에 대한 연구는 좀 더 진행되어야 할 사항이다. 열적특성 신호로서 온도변화는 주어진 전류값과 상황조건에서 모두 발생하였는데, 0 Nㆍm의 토크압력을 가한 비정상접속의 경우가 정상접속을 실시한 경우보다 상대적으로 온도가 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과 값은 Table 3에서 상호 비교가 가능하다.
이 실험에서는 정상과 비정상상태 모든 조건에서 전기적신호의 파형변화는 일어나지 않았으며, RMS값은 비정상접속 상태가 정상접속 상태보다 약 105 mA 더 낮음을 확인할 수 있었다.
먼저 입력된 전류값과 상황조건에 대하여 진동의 유무에 따라 전기적인 신호데이터의 차이가 나타남을 확인할 수 있었다. 진동이 발생되지 않은 상태에서는 전류파형의 변화와 ZCT로 측정 가능한 이상펄스는 어디에서도 검출되지 않았으나, 진동이 발생된 경우에는 수행된 모든 실험에서 전류파형과 ZCT로 전기적인 이상펄스가 검출되었다. 또한 RMS값은 진동이 발생하지 않은 상태에서 4.
포화온도 측정치에서는 최대 110.7℃ 비정상 접속부의 온도가 정상보다 더 높음을 확인할 수 있었으며, 이는 동일한 환경요인임에도 불구하고 접속부에서 나타나는 다양한 변수에 의해 열적특성이 변화할 수 있음을 나타내고 있다.

후속연구

5 A를 입력한 경우를 제외하고는 전체적인 상황에서 그 신호가 검출되었다. 0 Nㆍm의 토크압력을 가한 경우의 RMS값이 정상적인 토크압력을 가한 접속의 경우보다 상대적으로 저하되는 것을 확인할 수 있었으나 실험상황 및 조건에 따라 오차가 컸으며, 그 값의 차이가 너무 작은 경우도 존재하여 이 부분에 대한 연구는 좀 더 진행되어야 할 사항이다. 열적특성 신호로서 온도변화는 주어진 전류값과 상황조건에서 모두 발생하였는데, 0 Nㆍm의 토크압력을 가한 비정상접속의 경우가 정상접속을 실시한 경우보다 상대적으로 온도가 상승하는 것을 확인할 수 있었다.
5 A의 전류를 입력한 경우를 제외하고 실험 조건에 따라 접촉불량이 발생하였을 때 RMS값이 저하되는 것이 확인되었다. 하지만 실제현장의 상황과 같이 다수의 부하가 접속된 회로나 저전류가 흐르는 회로에서 RMS값을 통해 접촉불량의 판단기준을 마련하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2010년 발화요인별 화재발생 현황 중 제일 높은 빈도는?	산업의 발달과 함께 현대사회에서 필연적으로 전기의 사용량은 해마다 증가하고 있고, 이에 따라 전기로 인한 위험성도 증가하고 있는 추세이다. 2010년 발화요인별 화재발생 현황에 의하면 부주의(43%) 에 의한 화재발생 빈도가 가장 높은 것으로 나타났으며, 다음으로 전기적 요인(26%), 방화(6.7%), 기계적 요인(6.
	전기의 사용량이 해마다 증가함에 따라 동시에 증가 추세에 있는 것은 무엇인가?	산업의 발달과 함께 현대사회에서 필연적으로 전기의 사용량은 해마다 증가하고 있고, 이에 따라 전기로 인한 위험성도 증가하고 있는 추세이다. 2010년 발화요인별 화재발생 현황에 의하면 부주의(43%) 에 의한 화재발생 빈도가 가장 높은 것으로 나타났으며, 다음으로 전기적 요인(26%), 방화(6.

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